В течение последних миллиардов лет светимость Солнца увеличивалась, что обеспечило поддержание благоприятного климата на Земле, необходимого для развития сложной жизни. Марс, в свою очередь, обладал подходящими климатическими условиями несколько миллиардов лет назад, но со временем остыл, несмотря на возрастающую интенсивность солнечного излучения. Новое исследование предполагает, что именно теплый климат древности стал причиной превращения четвертой планеты в холодную пустыню.
Углекислый газ играет важную роль в определении климата на трех из четырех планет земной группы в нашей Солнечной системе. В отличие от водяного пара, он гораздо менее подвержен замерзанию, но при этом эффективно поглощает инфракрасное излучение, что способствует согреванию планет. Поэтому попытки разрешить давний парадокс, связанный с молодым и теплым Марсом – тот факт, что когда-то на этой планете существовали реки и моря, а затем она сильно похолодела – предпринимаются давно, и одно из предположений заключается в том, что когда-то атмосфера состояла из более плотного углекислого газа, который впоследствии рассеялся.
Ранее высказывалось предположение, что причиной стало высвобождение газа в космическое пространство вследствие отсутствия магнитного поля. Однако эта гипотеза не подтвердилась при первой же проверке: выяснилось, что в случае значительной потери углекислого газа атмосферой, на планете должна была зафиксироваться повышенная концентрация тяжелых изотопов углерода. Поскольку этого не произошло, основной парниковый компонент атмосферы покинул планету по иной причине, а не из-за отсутствия магнитного поля.
Теперь международная группа ученых представила альтернативную интерпретацию. Они опираются на данные, полученные марсоходом Curiosity, а именно на обнаруженные залежи карбонатов — минералов, содержащих углерод — в районе кратера Гейл. Принимая во внимание предполагаемую толщину этих отложений и распространяя эту оценку на всю планету, ученые пришли к заключению, что формирование этих минералов стало причиной похолодания и, как следствие, высыхания четвертой планеты. Работу об этом опубликовали в журнале Nature.
Формирование карбонатов, таких как CaCO₃, в земных условиях связано с взаимодействием воды, содержащей углекислый газ, и материалами, включающими кальций. Растворение образовавшихся карбонатов в естественных условиях возможно лишь в достаточно кислых средах или при высоком давлении. Согласно предложенной исследователями модели, теплый климат на древнем Марсе позволил образоваться карбонатам, но не привел к условиям, при которых эти карбонаты могли бы растворяться, высвобождая углекислый газ в атмосферу.
В данных условиях формирование карбонатов происходило однонаправленно: они накапливались, но не растворялись. По оценкам специалистов, если условия кратера Гейл, где функционировал марсоход NASA, достаточно репрезентативны, то таким образом могло быть связано на порядок больше углекислого газа, чем содержится в атмосфере Марса в настоящее время. Это позволило бы планете быть на десятки градусов теплее. Таким образом, ученые пришли к выводу, что периодические периоды потепления на четвертой планете (например, вследствие временного повышения солнечной инсоляции) являлись основной причиной уменьшения концентрации парниковых газов и последующего похолодания.
С одной стороны, выдвинутая гипотеза представляется вполне обоснованной: в отличие от потери углекислого газа в космическое пространство, формирование карбонатов не исключает легкий углерод из атмосферы планеты, поэтому зафиксированное соотношение изотопов углерода на Марсе не опровергает карбонатный механизм его исчерпания.
При этом ученые не упомянули, что атмосфера Марса практически лишена азота, в то время как на Земле он составляет 78 процентов. Многие планетологи полагают, что в прошлом Марс мог иметь схожую атмосферу. Другие научные коллективы ранее определили, что, хотя сам азот не является парниковым газом, его концентрация в атмосфере значительно влияет на способность удерживать инфракрасное излучение углекислого газа. Таким образом, он оказывает существенное воздействие на парниковый эффект опосредованно.
Учитывая этот аспект, объяснить превращение теплого и влажного древнего Марса в современную холодную пустыню без выяснения, что случилось с местным азотом, затруднительно. При этом исследования, проведенные аппаратом Curiosity, выявили значительное количество нитратов (солей азота) в марсианском грунте – до 1100 частей на миллион в некоторых образцах. Таким образом, нельзя полностью исключить, что и эта часть атмосферы была химически связана и оказалась зафиксирована в грунте.
Обсуждение факторов, приведших к превращению четвертой планеты в холодный мир, выходит далеко за рамки академического интереса. Компания SpaceX, принадлежащая Илону Маску, намерена приступить к терраформированию Марса. Если в марсианском грунте содержится значительное количество связанного углерода и азота, даже незначительное повышение температуры на несколько градусов может спровоцировать цепную реакцию парникового эффекта. На данный момент известно только о адсорбции углекислого газа и азота марсианским реголитом. В таком случае местная атмосфера будет все лучше удерживать тепло. Авторы отдельных научных работ предполагали, что такой процесс закончится достижением Марсом средней температуры в плюс 15 градусов — как у современной Земли.